Введение к работе
Актуальность проблемы. Технология производства хлопка-tyrt^jijua в настоящее время характеризуется высокой осншденностью сельскохозяйственной техники, позволяющей выполнять все основные операции возделывания, уборки урожая и транспортировки хлопка-сырца без применения ручного труда. Во всех технологиях преобладает механизированный труд. В настоящее время 85$ операций технологии производства хлопка выполняется механизированным способом.
Повышенная концентрация различных МТА с высокой единичной мощностью базовых тракторов для выполнения технологических операций высвободила человека-производителя от Тяжелого ручного труда, повысилась производительность его труда*
Однако повышенная концентрация технологий различными МТА привела к появлению опасных и вредных факторов, отрица- . тельно влияющих на человека, и в первую очередь в значительной степени возросла шумовая и вибрационная нагружвнность рабочих мест операторов хлопковых МТА. На всех Хлопковых МТА уровень шума в нормируемом диапазоне часто* на 7-26 дВ превышают предельно допустимые значения ГОСТ. Повышенный уровень шума отрицательно влияет на здоровье операторов, увеличивает утомляемость и приводит к снижению производительности труда. Смещение порога слышимости операторов хлопковых МТА со стажем работы болев 10 лет составляет 20-25 дБ. Удельный вес болезней нервной и сердечно-сосудистой систем работающих в хлопководстве в пять раз больше удельного веса других заболеваний, что обусловлено вредным воздействием повышенного уровня пума хлопковых ОТА»
Теоретические аспекты виброшумозащиты операторов хлопковых МТА недостаточно исследованы» Отсутствует системность подхода к решению проблемы создания шумобеэопасных хлопковых МТА, которые являются новым классом Машин в области борьбы с шумом в машиностроении. Не изучены взаимосвязи виброшумовых характеристик хлопковых мавцін с их конструктивными, эксплуатационными и технологическими параметрами.
В связи с этим восполнить пробел в этой области знаний и тем самым обеспечить улучшение условий и охраны труда операторов снижением виброшумонагруженностй рабочих мест . хлопковых МТА является актуальной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Цель работы - улучшение условий труда операторов хлопковых МТА повышением акустической безопасности рабочих мест и технологических операций путем разработки и внедрения комплекса научно обоснованных технических решений по снижению виброакустической активности источников и уровня шума на рабочем месте операторов на основании создания акустических моделей, установления критерия акустического проектирования и теоретического описания процессов формирования шума в хлопковых машинах,
Обгакт исследования. Шумовые характеристики технологий производства хлопка-сырца и мобильных хлопковых МТА для выполнения посевных, пропашных, уборочных, транспортных операций и агроприемов по борьбе с болезнями и вредителями хлопчатника! процессы шумообразевания в основных источниках и причины их повышенной виброакустичеокой активности,
Научная новизна. Разработаны обобщенные акустические модели хлопковых МТА, динамико-акустичеокие модели основных источников, критерии акустического проектирования виброэа-фшпых систем, определяющие вакономарнооти формирования звуковых полей, прогнозирования виброакустической активности и взаимосвязи ее с конструктивными и динамическими параметрами составных Частей машин.
Составлены акустичоокие схемы раочэта исследуемых машин и получены математические модели распространения воздушного шума о учетом особенностей компоновочной схемы МТА, определены граничные частоты выполнимости акустических расчетов.
Практическая ценность, состой* в том, что на основании проведенных теоретических и експериментальних исследований разработаны научно обоснованные технические решения по снижению шума в источнике его возникновения и на пути распространения» обеспечивающие выполнение требований ГОСТ по юу-мозащите.
Предложен комплекс технических средств по создание шу-мобеаопаоных хлопковых МТА и их Составных чаотей, в т.ч. шуме виброзадитная кабина» ввукоизолирущий капо*, Новая компоновка баэоваого трактора, шпиндель и привод шпинделей хлопкоуборочной машины, выпускной коллектор двигателя. Новизна и оригинальность предложен»» технических средств защищены 8 .авторскими свидетельствами.
Разработаны установки дли выявления источников шума 2
хлопковых НТА и способ измерения воздушной и структурной составляющей шума в кабине трактора и хлопкового МТА,обеспечивающие точность определения шумових характеристик и каналов распространения шума источников.
Реализация результатов. Результаты исследований позвог лили разработать комплекс шумозащитных средств по снижению шума на рабочем месте операторов хлопковых МТА путем модер- . низации последних на стадии проектирования и составления. Разработанный комплекс шумозащитных средств внедрен в Ташкентском заводе "Ташсельмаш" и производственном объединении "ТТЗ". Теоретические и экспериментальные материалы диссертации используются в курсах лекций и лабораторно-практичес-ких занятий по эксплуатации машинно-тракторного парка и охраны труда в Ташкентском ордена Трудового Красного Знамени институте инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 7 всесоюзных и 20 республиканских, региональных и других конференциях, отраслевых семинарах, научно-технических советах, в т.ч. на Всесоюзных конференциях и семинарах в гг.Челябинске (1980 г.), Ленинграда (1984, 1985,1989». 1990, 1991 гг.), Орле (1978-1986 гг.), конференциях ЛГАУ (Ленинград, 1989-92 гг.), ТИШМСХ (Ташкент, 1980-І990 гг.), научно-технических советах ГСКБ по машинам для хлопководства и ПО "ТТЗ" (Ташкент, 1980,.1989 гг.).
Публикация результатов. Основные положения диссертации опубликованы в 54 работах, в т.ч. 40 печатных. Получено 8 авторских свидетельств на изобретения, из. них 3 внедрено в производство.
Структура и объем» Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографии и приложений.
Работа изложена на 428 страницах машинописного текста, включая 100 рисунков, 25 таблиц, 271 наименование литературных источников и 4 приложения»
I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Экспериментальные исследования шума хлопковых МТА, начатые сравнительно недавно (в начале 70-х годов), имели своей целью сценку условий труда операторов по уровню виброакустических характеристик рабочих мест.
Вопросам изучения шумов, вибраций и низкочастотных колебаний хлопковых МТЛ с целью снижения их вредного влияния на операторов попвящеки работа Ф.К.Дадабаева, А.И.Корсуна, Л.А.Майорова, Исследованию технологических процессов, кинематических и динамических условий работы, колебаний специальных рабочих органов посвящены фундаментальные работы М.В. Сабликова, Х.Х.Усманходжаева, М.И.Ландсмана, А.Д.Глуїценко, Д.М.Шполянокого, Х.Т.Туранова, Р.Д.Матчанова, У.Х.Мансурова и др.
Уровень теоретического подхода к проблеме снижения шума хлопковых машин предопределяется современным состоянием знаний в технической акустике и акустической динамике машин.
Вопросы борьбы с шумом и вибрацией автомобилей, тракто-. ров и сельскохозяйственных машин рассмотрены в работах В.Е. Вольского, М.А.Разумовского, Л.П.Барастова, В.М.Власенко, М.А.Трахтенбройта и др.
В настоящее время накоплен большой опыт по ослаблению воздушного шума способами звукоизоляции и эвуко-вибропогло-їіения. Разработаны основы теории способов расчета ожидаемого уровня шумов. Получены практические результаты и разработаны многочисленные технические средства применительно к строительным сооружениям, судам, самолетам,' путевым, строительным, теотильным, полиграфическим машинам. Здесь необходимо отметить работы С,П.Алексеева, В,И.Заборова, С.Д.Ковригина, Г.Я.Осипова, Е.Я.Юдина, М.С.Седова, И.И.Клкжина, С.А. Никифорова, В,Т.Ляпунова, А.Г.Мунина, В.Д.Тартаковского, Н. И.Иванова, Й.И.Боголепова, Л..Лагунова и др.
Результаты изучения широкого спектра теоретических работ по технической акустике и прикладных разработок по созданию различных машин, механизмов» вращающихся узлов, опор и несущих элементов конструкции машин (стационарных и мобильных1) в малошумном исполнении показали» что они создают предпосылки для разработки основных положений снижения шума источников хлопковых машин с цельй обеспечения теоретической базы для решения проблемы улучшения условий труда операторов.
На основании выполненного анализа достояния проблемы и, исходя из поставленной цели, сформулированы следующие задачи исследования:
Т. Теоретическое описание динамйко-акустических моделей прогнозирования виброакустической активности источников,кри-4
терпя акустического проектирования и процессов формирования шума на рабочем месте оператора.
-
Оценка виброакустического состояния технологий производства хлопка-сырца, хлопковых МТА, шумовых характеристик источников и разработка требований к повышению акустической безопасности условий труда операторов.
-
Разработка технических средств идентификации источников шума, методов определения и измерения шумовых характеристик.
-
Экспериментально установить закономерности формирования шума на рабочем месте, причин повышенной виброакустнче-ской активности источников шума, взаимосвязь динамических и акустических параметров и проверить достоверность теоретических предпосылок.
-
Разработка, реализация и оценка технико-, социально окономическсй эффективности комплекса технических решений, направленных на улучшение условий труда операторов повышением степени акустической безопасности рабочих мест.
2. ОЦЕНКА ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ ОПЕРАЦИЙ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ХЛОПКА-СЫРЦА, ИССЛЕДОВАНИЕ ЮТОВ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ХЛОПКОВЫХ МТА
Результаты широкомасштабных экспериментальных исследований показали, что современные и перспективные технологии . производства хлопка-сырца являются гаумон'агруженннми, уровень звука основных механизированных операций (посев, культивация, химическая защита растений, уборка хлопка-сырца, очистка по-лейі достигает до 87-103 дБ(А)$ превышение предольно допустимого уровня составляет 7-23 дБ(А1{ источники шумов - мобильные МТА. Шумы МТА'постоянные и широкополосные, акустическая анергия сосредоточена в диапазоне частот 250-4000 Гц и, с точки зрения субъективного восприятия» отличаются высокой раздражительностью. Хлопковые МТА по виброакустическим характеристикам делятся на 4 класса. Рабочие места всех МТА не соответствуют требованиям ГОСТ.
Шумовые характеристики идентичных хлопковых МТА имеют разброс; определены числовые характеристики случайных величин: разброс составляет 3-22 дБ и зависит от частоты. Вели-
чини шумовых характеристик распределены по нормальному закону, модуль максимального расхождения между теоретическими и эмпирическими частотами доверительного объема выборки не выходит за пределы критерия согласия Колмогорова. Проведен статистический анализ шумовых характеристик всех хлопковых МТА и получен необходимый объем выборки исследуемых машин для определения шумовых характеристик рабочих мест операторов и источников с заданной доверительной вероятностью.
Акустические характеристики базовых тракторов хлопковых МТА су эственно изменяются в зависимости от режима работы: при полной загрузке уровень звука увеличивается на 2 дВ(А); удвоение частоты вращения двигателя приводит к росту шума на II—12 дБ(А); изменения скорости движения от 1,06 м/с .(на второй передаче) до 2,22 м/с (на пятой передаче) повышает уровень звука на 7 дВ(А^} уровни звукового давления уве-- личиваются в диапазонах частот 250-8000 Гц и на основных частотах механических систем (частота вращения двигателя, эуб-. цовые частоты трансмиаоии\ Получена емлирическая зависимость уровня звука (на примере уборочных МТА"* от технико-эксплуатационных показателей MTAt увеличение производительности на I га/ч приводит к повышению уровня звука на рабочем месте на В дБ(Д}» Комбинирование технологической схемы МТА о активными рабочими органами увеличивает уровень звука на 2-4 дБСА*». Техническое состояние и условия эксплуатации МТА существенно влияют на уровень шума! после выработки 280 мото-часов уровень звукового давления в полосах частот 63-4000 Гц возрастает примерно 4 дБ, при отсутствии смазки шум опор качения повышается и полосах частот БОО-8000 Гц на 3-5 дБ.
Основными источниками шума На хлопковых МТА являются базовые тракторы (двигатель, трансмиссии и выхлон двигателя) и активные рабочие органы» составные чаотй МТА (уборочные аппараты, редукторы* приводные механизмы^ И рабочие (технологические) процессы исоледуемых машин. Уровни звуковых мощностей источников хлопковых МТА превосходят и равны уровням звуковых мощностей источников базовых тракторов. Основная часть акустической энергии источников шума хлопковых МТА сосредоточена в диапазоне чаЬтот 123-4000 Гц. Все источники шума являются направленными излучателями, показатели направленности которых зависят от частоты. Спектр уровней звуковых 6
мо-цностей имеет широкополосный характері максимальные значения спектра связаны с механическими частотами основных источников. Показатель направленности шума источников зависит от режима работы (редукторов и коробки передач'1 и от компоновочной схемы МТА. Шумы рабочего процесса хлопковых МТА являются новым классом источников шума машин и уровень звуковой мощности шума рабочего процесса превосходит уровни звуковых мощностей остальных источников.
Объединенные спектры суммарного шума имеют три характерные зоны: суммарный шум формируется источниками шума базового трактора; суммарный шум формируется источниками базового трактора и навесной или вмонтированной машины; суммарный шум формируется источниками шума навесной или вмонтированной машины. Основными источниками шума на рабочем месте операторов у базовых тракторов являются двигатель и трансмиссия» а у навесной или вмонтированной хлопковых машин уборочные аппараты, пневмотранспортеры» очистители, привод Механизмов» редукторы, шестеренные передачи, карданные валы, ременные передачи, рабочие органы и технологические процессы. Эффективность шумозащитного комплекса хлопковых МТА должна формироваться с учетом характерных зон объединенных спектрограмм исследуемых машин.
Звуковые поля хлопковых МТА и их базовых тракторов оп; з-делятатся компоновочной схемой последних; Различные элементы конструкции (кабины, диски ведущих колее, резервуары, бункера, кожухи, ограждения и т.д.1» размеры которых соизмеримы с размерили звуковых волн излучателей и самих излучателей, существенно влияют на характер звукового поля на рабочем месте и вокруг источников. Интенсивность звуковых полей хлопковых МТА неравномерна. Навесная или вмонтированная машина . с ее составными частями изменяет характер звукового поля базового трактора. Хлопковые МТА разработаны без учета взаимосвязей характер-а и природы звуковых полей источников и конструктивных параметров компоновочных схем исследуемых машин.
Результаты оценки виброаЪустического состояния хлопковых МТА позволили сформулировать вывод о том, что требуемая эффективность систем шумовиброзащиты хлопковых МТА для обеспечения акустически безопасных условий труда операторов долина определяться с учетом статистических Параметров акустических сигналов источников, влияния технико-эксплуатационных
показателей и с учетом технического состояния МТА. В связи с этим эффективность систем шумовиброзациты должна удовлетворять условию;
LimtXkm* к** k»+l>n)~[LHll, (її
где liretf оффективность систем шумовиброэациты или требуемое снижение шума, дБ; I,. - средний уровень звукового давления на рабочем
место оператора МТА, дБ; Іі7 - разброо или величина допуока акустического сигнала для данного типа МТА, дБ; Lip - величина, учитывающая технико-эксплуатационный
режим работы МТА, дБ; La - величина изменения уровня шума в зависимости от
технического состояния данного типа МТА, дБ; l^ttu пРеДвлЬН0 Допустимый уровень звукового давлзния,дБ 1~ индекс октавной полосы нормируемого диапазона частот. Учитывая особенности системы машин для механизации хлопководства, на основании проведенных исследований по оценке виброакустического ооотояиия источников акустической энергии и звуковых полей хлопковых МТА в качестве критерия малошум-ности Принято соотношение уровной звуковых давлений на рабочем месте источников шума базового трактора и МТА:
Ij&.M і mL A[U] (21
LtHtA Инга
где іІГр - уровень звукового давления На рабочем месте
трактора* дБ} ^intA ~ УРовень звукового давления после навески МТА на тракторі ДВ» I - индекс онтавной полосы* В случае использования базовых тракторов, на рабочих местах у которых уровень звукового давления превшает установленные нормы, Необходимо ввести критерии малошумности, учитывающие соотношение уровней звуковых давлений на рабочем месте источников шума базового трактора* МТА и требуемое снижение шума:
.: *>м Lima
К\і!
Требуемая эффективность сиотем шумовиброзащиты хлопковых МТА определена по критерию малошумности с учетом их техниче-ской реализуемости, влияния'технико-эксплуатационные показатели машины и экономической целесообразности. Это потребовало в ряде случаев, как это показано в работе, выполнения много-критериальной оптимизации параметров систем шумовибро-защиты МТА и его источников по дополнительно введенным для этих случаев требования путем разработки адекватных динамико-виброакустических моделей основных источников повышенной виброакустической активности. На их основе изучены причины возникновения шума в источниках для целенаправленного формирования конструктивных, эксплуатационных показателей рабочих органов и механизмов с учетом влияния их на виброшумовую активность последних.
3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ ХЛОПКОВЫХ МТА И ВЗАИМОСВЯЗИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОП АКТИВНОСТИ ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ С ИХ 1ЮНСТРУЙТИВННМИ И ДИНАМИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ
Обобщенная блочная акустическая модель хлопкового МТА приведена на рис.1. Рассматриваемая акустическая модель хлопкового МТА представляет собой сигітему* состоящую из источников воздушного шума и звуковой вибрации (одновременно>, вторичных источников шума (отражающие и вибрирующие поверхности \ а такле из двух каналов или трактов, передащих акустическую энергию от источников к рабочему месту оператора. Источник воздушного шума с интенсивностью акустической энергии Э( одновременно участвует в формировании звукового поля на рабочем месте и звукового поля вторичного излучателя шума.
Вторичные излучатели шума с акустической энергией интенсивностью Л2 , в основном являются пассивными источниками и их интенсивность Зц теснейшим образом связана с источником воздушного шума и звуковой вибрации. Интенсивность Од (Oj.^j, Зч,5>1,^ Ч>Ьш>^г Я,У»* 1 является сложной функцией, определяемая интенсивностью воздушного шума 0<, Oj » звуковой вибрации дг, . координатами X, У, вторичного излучателя относительно 0, , Зэ , Л* и рабочего места, площадью S , коэффициентами звукового поглощения Ы. и потерь 1 и массой /71 . Передаточные функции /у(3,,S,oLrX,У,) и ^ (^^ fiMjk) взаимосвязаны между собой через динами-
—»-
Рисі, Обобщенная блочная акустическая модель хлопкового МТАї І - источники (генераторы і акустической энергии j 2 - шумовибропоглощапщие и шу-мовиброизолирующие средства; 3 - рабочее место или расчетная точка кабины,
ческие, конструктивные и геометрические параметри различных элементов системы акустической модели МТА. Акустическая энергия источников воздушного шума 011 Эц,Эз проникает в рабочее место, проходя через различные элементы шумозацитн, обладающие звукопоглощающим и звукоизоляционным эффектами. Энергия звуковой вибрации Э+ j которая распространяется по рамам МТА и трактора, проходит через различные элементы конструкции и передается в рабочее место. Установлено, что уровень структурной составляющей шума на рабочем месте хлопковых МТА на 10-20 дБ ниже уровня Воздушной составляющей шума во всем нормируемом диапазоне частот, т.к, источники шуми являются Навесными, прицепными или вмонтированными в отдельную раму и соединяются с остовом трактора с помощью многочисленных шарнирных и рычажных Навесных систем, создающих высокую эффективность виброизоляции. Поэтому в формировании звукового поля на рабочем месте хлопкового МТА в основном участвуют акустические энергии источников воздушного шума 3- , 35 и вторичных излучателей 3 . Если учесть, что акустическая энергия 3 является производной от энергии 10
О,, 33 j З4. то основная роль в формировании звукового поля принадлежит источникам воздушного шума 3f И 3j .
Анализ обобщенной блочной акустической модели хлопкового МТА показал, что определяющим в формировании звукового поля является шумовая энергия, сосредоточенная в источнике.
Оценка эффективности капотов, кожухов, ограждения и шу-мовиброэгецитной кабины по снижению шума источников и раэра- . ботка высокоэффективных средств звуко-виброиэолянии и эвуко-вибропоглоцения в свою очередь связаны с разрешением ряда вопросов: расчет звуковых полей источников с учетом их конструктивных особенностей и шумовых характеристик; разработка и выбор математических моделей и составление акустических схем расчета; определение и уточнение границ применения разработанных моделей и схем расчета; обоснование принятых допущений и их экспериментальная проверка. Эти вопросы рассмотрены на основе главных положений статистической и геометрической теории акустики с учетом конструктивных особенностей хлопковых МТА.
Расчет интенсивности звукового поля без учета взаимодействия между источниками звука приводит к большим погрешностям. Енполнимость и точность расчетов а данном случае будет определяться размером расстояния между источниками Звука; на основании теории акустики установлено, что два источника не взаимодействуют, когда расстояние между ними превышает d>X/2 (где А - длина звуковой волны, м*.
В расчетах звуковых полей источников по компоновочным схемам реальных хлопковых МТА не всегда выполняется это условие, поэтому в низких частотных октавных полосах (20-250 Гц^ введены поправки. Величины Поправок определены экспериментальным путем.
Условие диффузности или квазйдиффузности является главным условием энергетической теории акустики. В акустических расчетах диффузность звукового поля определяется значением граничной частоты диффузного или квазидиффузного звукового поля ftu(p . Она зависит от геометрических размеров и конструктивных особенностей капота или кабины исследуемых машин. С учетом ряда допуцений предложена формула для определения средней граничной частоты квазидиффузного поля для капотов и кабины хлопковых МТА:
/guv = С (0,8331"' +0,593/^7 + 0,353^ \ Гц (4ї Где О - скорость звука в воздухе, Q = 344 м/с;
lsfxi{r*lt- суммарный геометрический размер объема, щ
S - общая площадь5 поверхностей, ограничивающих замкнутый обгем, м ;
V - приведенный объем, м3.
Граничная частота кваэидиффузного поля для различных ка-, потов и кабины хлопковых МТА, определенная формулой (4>, находится в диапазоне частот октавных полос 125 и 250 Гц. Все акустические расчеты овуковых полей исследуемых машин дают удовлетворительные результаты на частотах выше 125 Гц, Экспериментальная проверка фактических значений уровня шума на рабочем месте операторов хлопковых МТА проводилась с уче- том граничной частоты диффузного поля в замкнутых объемах. В расчетные формулы звуковых полей, которые получены с допущением о дйффуэности ввукового поля в объемах, введены поправочные коэффициенты, определяемые экспериментальным путем для различных вариантов компоновочных схем хлопковых МТА.
На основании принципа Гюйгенса и с учетом известных выражений теории акустики, показывающих взаимосвязь-между энергетическими характеристиками ввукового поля в неограниченном пространстве, предпокена упрощенная модель звукового поля излучателей хлопковых МТА.
Экспериментальные исследования звукового поля хлопковых МТА показали, что при работе базового трактора с различными хлопковыми машинами (навесными, полунавесными и прицепнымиі звуковые поля его источников и характер звукового поля (суммарного от всех источников МТА) вокруг рабочего места или кабины существенно меняются.
Взаимодействие акустических Полей различных источников с телами конечных размеров хлопкСВых МТА должно быть оценено на стадии проектирования или компоновки МТА и эффективность систем иумозащиты и требуемое снижение шума в источнике его возникновения необходимо определять с учетом характера изменения звукового поля источников вокруг рабочего места или в расчетной точке. В связи с зтим рассмотрены акустические модели формирования звуковых полей различных источников хлопковых МТА вокруг рабочегооместа. Анализом компоновочных схем иссл дуемых хлопковых машин установлено, что'компоновочные схемы хлопковых МТА имеют следующие особенности: отражающие поверхности расположены вокруг рабочего места (кабины), и 12
они по размерам равны или в два-три раза больше ширины и длины кабины, а высота покрывает 2/3 части высоты кабины; нижняя граница отражающих поверхностей проходит'по уровню высоты расположения продольных брусьев базового трактора, что на 0,5 м ниже поверхности пола кабины; расстояния между отражающими поверхностями и ограждениями кабины 0,15-2 м в зависимости от типа хлопкового МТА; источники (излучатели! шума расположены в свободном пространстве (подвешенный на шарнирах уборочный аппарат) на достаточно большом расстоянии от рабочего места или от кабины, между параллельно установленными отражающими поверхностями (резервуаров, дисков ведущих колес трактора^, на плоской отражающей поверхности опорной плиты, на стыке двух поверхностей (опорной плиты и стенки бункера или прицепа^, под дном бункера (хлопка-сырца, семян и удобрений'; во всех вышеперечисленных вариантах, источники (излучатели 1 кума, излучающей стороной, свободной (открытой'» от отражающих поверхностей, обращены к ограждениям кабины (полу, боковым или задней) или к рабочему месту} вей отражающие поверхности являются металлическими и имеют малые значения коэффициента звукопоглощения (в пределах 0,01-0,02); по форме поверхности,отражающие элементы компоновочных схем хлопковых МТА выпукло-плоские, вогнуто-плоские, вогнутые, выпуклые и плоские { они1 имеют конфигурации круглые | трех-четырех-, многоугольные и их поверхности установлены параллельно, перпендикулярно- и1 под различным углом относительно главных осей источников-
С учетом перечисленных особенностей различных хлопковых МТА и их элементов конструкции составленье акустические расчетные схемы (наиболее характерные и .общие для всех типов исследуемых машин) формирования звуковых полей источников (излучателей^ в расчетной точке* который приведены в работе.
На основании принятой1 расчетной' ягодели- звукового поля и акустических схем хлопковых МТА получены формулы расчета интенсивности звукового поля- в- расчетной1 точке или в кабине:
для1 МТА беэ кабины
^Cv-vMjJLXt/i?* ; (5)
МТА с кабиной
МТА без кабины и источник расположен на отражающей поверхности
^ШЬща-Л„р)/а'^я);' (?)
МТА с кабиной и и»точнин расположен на отражающей поверхности
МТА с кабиной и источник экранируется элементом кон-сг^укции
НТА без кабины, источник расположен на отражающей по- верхности и экранируется элементом конструкции
МТА о кабиной, источник расположен на отражающей поверхности и экранируется елементом конструкции
На поверхности ограждения кабины МТА, источник расположен на отражающей поверхности
-і WJHgM faswO-*oy)&Tfi) ( (121
где Y^ - ввуковая мощность источника в октавной полосе,Вт; Х-1 - коэффициент, учитывающий ближнее поле источника
/4М А/-/у
ф - фактор направленности источника в октавной полосе!
К - расстояние по прямой линии между акустическим
' центром источника и расчетной точкой, mj
ф. -коэффициент, учитывающий расположение огражда-
' Ния кабины по отношению К источнику, #, = 0,3
боковыхj (Jj; = .0,15 для передней стенки и крыши
кабины! oil - средний коэффициент звукопоглощения L -го ограк-
дения со стороны источника или снаружи кабины; 14
X/ - коэффициент звукопроводности с учетом всех элементов (отверстие, 'делей, проемов и т.д.) / -го участка поверхности J. -го ограждения} Si - площадь I -го участка / -го ограждения, м ; Sl - площадь J. -го ограждения, м ;
АкаЪ- ЗВуКОПОГЛО'ДеНИе КабиНЫ, М , Аи{ s ОІкаґ QK0f'j
5^Kaf- средний коэффициент звукопоглощения в кабине; $каГ - общая площадь внутренней поверхности кабины, м ; $отр - площадь отражающей поверхности, м ; &стр - средний коэффициент звукопоглощения отражающей поверхности; Л. - длина звуковой волны, м; 171 - I, 2, 3... количество ограждений кабины; Д - I, 2, 3... количество лоточников или элементарных
участков ограждения кабины; h - коэффициент, учитывающий экранирующий эффект поверхности} )ССТ.- коэффициент концентрации отражающей акустической
системы; QTp - расстояние между поверхностями отражателя и ограждения кабины, м; f^rr- расстояние между акустическими центрами источника
и отражающей поверхности, м| в - I, 2, 3... р - количество отражающих поверхностей. Полученные формулы (5—12х» показывают, что интенсивность звукового поля на рабочем месте или в Кабине формируется в результате энергетического Суммирований энергий различных излучателей. Предложенные акустический схемы расчета позволили математически описать интенсивность звука в расчетной точке с учетом всех воздушных кдналов ИЛИ путей распространения (проникновения'1 звуковой энергий» В расчетную точку акустическая энергия попадает (от различных излучателей^ прямым путем, дифракцией звукового поля источников и путем отражения от поверхностей ралличных элементов конструкции МТА. При близком расположении источников звука к различным поверхностям, составим частям МТА и кабине звуковая энергия (интенсивность звукового поля"1 на наружных элементах кабины распределяется неразномерно, т.к. они (поверхности составных частей МТЛ и элементы кабиньО вносят существенные изменения в~ характер распространения и формирования звуко-
вого поля. Происходит отражение от поверхностей, на которых установлен источник, появляются области акустической тени различных экранирующих элементов МТА. Неравномерность распределения звуковой энергии на наружных элементах кабины подтверждена экспериментальными данными, которые хорошо согласуются с данными расчета. Из полученных расчетных выражений видно, что интенсивность в расчетной точке главным образом зависит от значения звуковой мощности источника (излучателя').
Рассмотренные акустические схемы, которые являются типичными для исследуемых машин, и математические выражения, позволяющие описать процесс формирования звукового поля,убедительно показывают, что звуковое поле на наружных поверхностях ограждений кабины распределяется неравномерно. Все известные способы и формулы расчета эффективности звуковибро-.изолирующих кабин различного назначения не учитывают эту неравномерность при разработке кабин из-за отсутствия критерия равномерности звукового поля и логарифмической природа икал децибелов,
В результате чего, как показывает опыт, при равных значениях звукоизоляции различных ограждений кабины» ее приведенная суммарная эффективность не обеспечивает требуемое снижение шума на рабочем месте или в кабине.
В.свяэИ с атим для создания звукоизолирующей кабины с повышенной эффективностью іг соответствующей по значению звукоизолирующих свойотв отдельных ее ограждений энергетическим характеристикам звукового поля зоны располоиения рабочего места оператора предложено оценивать эффективность звукоизолирующей Кабины хлопкового МТА следующими выражениями:
щ-щ-"-"Щ»' (!3
Ш$іІіОт- Ц < 1045) (15)
где 'y,g,...^/it - уровни звукового давления на наружных
поверхностях ограждений кабины в нормируемых частотах октявных прлос, дБ; 3Ut,3Ug,...3U^- звукоизоляция ограждений в нормируемых
частотах октавних полос, дБ} 16
[LH] - предельно допустимый уровень звукового давленш»,дБ; 1= I, 2, 3... - число ограждений. Выполнение условий (131, (141 и (15) предложено автором работы в качестве основных критериев акустического проектирования кабины, установленной или устанавливаемой в неравномерном звуковом поле и предназначенной для снижения воздушного шума.
Средняя фактическая звукоизоляция ограждения кабины определена по выражению
где Ш - средняя фактическая звукоизоляция ограждения,дБ; с2 - средний коэффициент звукопоглощения ограждения
со стороны источника; f - среднегеометрическая частота октавной полосы,Гц; fit - масса единицы площади ограждения, кг/м $ $ - площадь ограждения; AKaf- звукопоглощение кабины, м . При заранее известных уровнях звуковых давлений (исходных характеристиках звукового поля) на поверхностях ограждений кабины (научно обоснованным выбором различных параметров ограждений и кабины) по формуле (161, определено рациональное значение (3//), обеспечивающее выполнение условий (ІЗ) для всей кабины,
Такая задача была решена на примере хлопководческого трактора с вычислением всех параметров на ЭВМ» При разработке звукоизолирующей кабины, соответствующей условию (ІЗ), ее эффективность повышается на 6-7 дБ(Л) без увеличения ее металлоемкости.
В работе показано, Что эффективность виброизоляторов определяется схемой их расположения* величиной статистической осадкой и неравномерностью вибрационного поля. Известные способы расчета виброизоляции кабины хлопковых МТА проводятся без учета вышеприведенных параметров мест установки звуко-виброзащитной кабины. В связи с этим предложены новые условия оценки виброизоляции кабины хлопкового МТА при установке ее на определенное количество виброизоляторов (три, четыре и более 1. Предлагаемые условия описываются следующими выражениями :
Zf.y.yjf _ І-Л.ХХ1 _it. Ln,X,V,1 t цд,,
Bttf.xxi 8M*,xxt BUn.x.v,*
где ,,.../ - сила тяжести кабины, приходящаяся на каждый виброизолятор, Н; "KVl ~ П0СТУпательные жесткости виброизолятора кабины по осям X,V,Z , н/м; LfjL^,.,.in- уровни виброскорости точки крепления виброизолятора к остову или к раме МТА, дБ; SUK у - - виброизоляция по осям X, У. Z , дБ;
П= I, 2, 3, 4... - число виброизоляторов. Выполнение условия (17) позволяет равномерно распределять силы тяжести кабины и совмещать центры жесткости виброизоляторов и тяжести кабины МТА. При этом обеспечивается равенство значений всех частот собственных колебаний для всех виброизоляторов.
Виброизоляция виброизолптора определена по формуле
где J- - частота возбукда-ацей виброскорости, Гц; Q- - сила тяжести кабины на виброизолятор, И; К - жесткость виброизолятора, н/м.
На основании вышеизложенного была разработана новая схема расположения виброизоляторов кабины хлопкового МТА с учетом неравномерности вибрационного поля места установки и неравномерности силы тяжести по виброизоляторам.
В предложенной схеме впервые использована шеститочечная комбинированная (вертикальная и наклонная) установка вибро-иэоляторов типа АКСС-І60М. Она (схема установки) в полной мере обеспечивает выполнение условий (17) и (18). Оценка эффективности предложенной схемы виброизоляции кабины хлопкового МТА показала, что она повышает виброиэоляции (ВЮ в среднем на 7-12 дБ в диапазоне частот 20-1000 Гц.
Предложена конструкция остова хлопкового трактора, позволяющая устранить или приводящая к минимуму неравно-
1{3
мерность вибрационного поля место установки кабин; остов хлопкового трактора снабжен решетчатым металлическим виброизолятором. Результаты теоретического исследования процессов формирования звукового поля послужили основой для описания математических моделей распространения и прогнозирования воздушного шума на рабочем месте хлопковых МТ.А. На практике часто требуется решение задач, связанных с описанием математических моделей распространения воздушного шума на конкретных хлопковых МТА, поэтому составлены акустические схемы расчета для всех исследуемых машин. Составленные схемы в масштабе отражают компоновочные схемы физических хлопковых МТА и являются естественным развитием обобщенных акустических схем расчета. При этом учтены конструктивные особенности конкретных МТА, способ их соединения с базовым трактором и характер использования энергетического средства (тяговый или тягово-приводной). В работе приведены акустические расчетные схемы основных хлопковых МТА, составленные автором для математического описания процессов распространения и прогнозирования воздушного шума. Эти схемы для удобства аналитического описания разделены на пять групп по способу соединения МТА с трактором и по характеру использования последнего.
В диссертации приведены основные формулы, математически описывающие процессы распространения воздушного шума на рабочем месте операторов хлопковых МТА. Они в совокупности составляют основу прогнозирования ожидаемого шума в расчетной точке на стадии проектирования или составления МТА из составных частей или источников с известными шумовыми характеристиками и геометрическими параметрами компоновочной схемы и ее элементов.
Анализ полученных формул позволил еыявить основные принципы проектирования и составления хлопковых МТА с учетом формирования' шума на рабочем месте или в кабине. Для повышения акустической эффективности конструкции МТА (компоновочной схемы и эвуковиброизолирую'цей кабины) во-первых, источники шума должны устанавливаться на максимальных (технически возможных) расстояниях от рабочего места или кабины; во-вторых, емкости, бункеры, различные составные элементы хлопковых МТА необходимо компоновать в схемо машины таким образом, чтобы они по отношению рабочего мпста или кабины обеспечивали экра-
нирущий эффект} они должны по мере технической возможности устанавливаться между источником и рабочим местом или кабиной, поверхности етих элементов МТА требуется обработать звукопоглощающими материалами; в-третьих, звукоизоляция ограждений кабины должна соответствовать характеристикам звукового поля источников МТА.
Эти технические решения по повышению акустической эффективности разрабатываются и реа'лизбвываются на стадии проектирования или составления МТА. В совокупности акустическая эффективность компоновочных-схем хлопковых МТА и звуковибро-изолирующей кабины, как показали расчеты, достигает до 15дБ. Поэтому радикальньм направлением по снижению шума на рабочем месте операторов хлопковых МТА, как показали математические модели распространения шума, является ограничение эмиссии, т.е. излучения шума, т.к. эмиссия характеризует непосредственно источник шума. Допустимую эмиссию источников предложено характеризовать введением критерия их виброакустической активности по уровню воздушного шума и по металлоэнергоем-костным параметрам.
Автором предложен в качестве критерия виброакустической активности источника использовать отношение интенсивностей, приведенных к поверхностям источника, и площади учитываемой опорной поверхности. Предложенный критерий в общем виде описывается следующим соотношением
^=CWu,/S„oO/CfU/6u,), <20>
где YJUI - звуковая мощность источника, Вт;
ио« - площадь учитываемой опорной поверхности, м , Ыпвт - потери механической мощности в источнике, Вт; {эй» - площадь поверхности источника, м . В работе приведены формулы расчета критерия виброакустической активности основных источников шума (рабочих органов и механизмов1 хлопковых МТА. Определены значения критерия виброакустической активности основных источников. Полученные данные показали, что виброакустическая активность шестеренной передачи очень высокая, т.е. она является "высокопроизводительным" излучателем шума. Это.связано с тем, что все шестеренные передачи уборочного аппарата работают бел емаэ-
ки и открыты. Уборочный аппарат такяе является виброакусти-чески активным узлом хлопкового МТА. Полученные критерии хорошо согласуются с данными шумовых характеристик оонорчых источников. Основные источники имеют высокие значения критерия виброакустической активности.
Определение значения } источников на частотах октавних полос показали, что на частотах 63-250 Гц оно на 10 (и более^ меньше. Это объясняется основными законами теории излучения акустики.
Предложенный критерий виброакустической активности источника иума на стадии проектирования или составления хлопковых МТА позволяет оценить основные составные части последних как излучателя акустической энергии. Он раскрывает связанность звуковой мощности источника с потерей механической мощности в данном источнике, устанавливает виброакустическую активность источников по отношению рабочего места операторов.
Теоретические исследования по созданию динамико-вибро-акустических моделей основных источников вибрации и шума МТА и изучение причин повышенной виброакустической активности источников шума проведены на примере основных источников: привода рабочих органов уборочного аппарата, процесса взаимодействия щеточных планок съемника со шпинделями, привода шпинделей. Результаты исследования приведены в работе. Они позволили установить причины повышенной виброакустической активности источников и разработать технические решения по снижению шума в источнике его возникновения.
Для проведения измерений и расчета шумовых характеристик хлопковых МТА, их составных частей, отдельных агрегатов и механизмов использованы нормативно-технические документы, регламентирующие и устанавливающие единую методику измерений виброшумовых характеристик машин.
Разработаны схемы измерения шумовых характеристик основных источников и звуковых полей хлопковых МТА, Составлена методика проведения измерений и выбран наиболее точный и естественный метод поэлементного исследования.
Разработаны и изготовлены установки, позволяющие выя-: вить основные источники иума хлопковых МТА,и провести экспериментальные исследования по определению причин повышенной виброакустической активности источников шума.
Предложен и реализован высокомобильный и универсальный способ измерений структурной и воздушной составляющей шума в кабине всех типов хлопковых МТЛ без разрушения механической связи между источником шума и кабиной.
Статистический анализ результатов экспериментальных исследований выполнен с использованием математических методов обработки случайных величин.
' 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАНАЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВИБРАЦИИ И ЕУЫА ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ СНИЖЕНИЯ ШУМА И ВИБРАЦИИ ХЛОПКОВЫХ МТА
В процессе исследований получен широкий спектр экспериментальных данных, которые использованы в качестве исходных при обосновании комплекса шумозацитннх средств по снижению шума хлопковых МТА на пути распространения и в источнике его возникновения. Проведены экспериментальная проверка ранее полученных теоретических результатов и оценка эффективности предложенных технических решений по снижению шума источников и уровня шума на рабочем месте операторов хлопковых МТА.
Установлено, что уровень шума на рабочем месте хлопковых МТА и в кабине базовых тракторов в октавных полосах 250-8000 Гц полностью определяется уровнем воздушной составляющей шума.
Определены каналы распространения звуковой вибрации от основных источников трактора; остов базов ого трактора хлопковых МТА является главным проводником звуковой вибрации, в процессе распространения качественный состав спектра вибрации изменяется.
Эксперименты подтвердили, что звукоизолирующая способность ограждений кабины хлопководческого трактора неравнозначна: наименьшей звукоизолирующей способностью обладает пол (эффективность которой лежит в пределах 15-23 дБ); звуковое поле вокруг кабины хлопководческого трактора неравномерно, наиболее нагружены акустической энергией переднее стекло и пол кабины. Применимость разработанных математических моделей распространения и прогнозирования воздушного шума хлопковых МТА подтверждена экспериментально.
Экспериментально подтверждена эффективность применения ряда .технических решений по снижению шума в источнике его 22
возникновения; полученные результаты хорошо согласуются с результатами теоретических исследований.
Установлено, что выбор акустически оптимальной компонов
ки МТА и базового трактора, разработка шумоэацитного комп
лекса на стадии проектирования или составления МТА с учетом
характеристик вибрационного и шумового полей места установ
ки кабины позволяет значительно снизить уровень шума на ра
бочем месте операторов; разработаны капоты для снижения шу
ма уборочных аппаратов и двигателя базового трактора на 3-
. г, г Л Я кашшои"
4 дВчА>; увеличение расстояния между двигателем*!) 2 раза и
его полная виброизоляция от остова трактора дает снижение шума в кабине на 7 дВШ; целенаправленное формирование звукового поля места установки кабины снижением шума основных источников (двигателя, трансмиссии^ на пути распространения и разработка кабины с учетом неравномерности виброгау-монагрученности ее основных элементов обеспечивают высокую эффективность по снижению шума; эффективность комплекса шу-мозащитных средств по снижению шума основных источников на пути распространения составила 8 дЗ(А).
Разработана и реализована рациональная схема крепления кабины к остову трактора с комбинированной (вертикальной и наклонной 1 установкой виброиэоляторов на шести точках о равномерным распределением силы тяжести кабины по опорам и характеристик вибрационного поля места крепления опорных кронштейнов; эффективность виброизоляции кабины составила 8-13 дБ{ полученные данные подтвердили Достоверность сформулированных условий расчета шумовиброзацитной кабины с «четом неравномерности распределения ее суммарной силы тяжести по опорам и уровней виброскорости точек креплений.
6. ТЕХНЙКО-ЭКОНОМИЧЕСШ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛОЖЕННЫХ
На основании проведенных исследований установлены основные принципы создания шумобезопасных технологических процессов и хлопковых МТА; разработанные и внедренные технические решения защищены 8 авторскими свидетельствами. Виброакусти-чоски
Практические результаты работы приняты к знедренич ПО
a)
месяцы
ДВ 90
6)
дБ 90
в)
Рис.2. Шуыовые характеристики технологических операций (а) и хлопковых ИГА (о,в): 1,2 -серийные и опытные мТА.
"Ташкентский тракторний завод", Ташкентским заводом "Таш-сельмаш" и TCKS по машинам для хлопководства (Ташкент^ и на новых хлопковых МТА и базовых тракторах достигнуто снижение шума до 79 дБ(А\
Внедрение ічумобезопасішх хлопковых МТА, разработанных на основании настоящего исследования дает экономический эффект около 1,2 млн.руб., а ожидаемый экономический аффект ог технических решений, принятых для внедрения, составляет 12,6 млн.руб. в год. Социальная эффективность разработанных средств шумозациты составила около 6775. Проведенный расчет утвержден заводом-изготовителем базовых тракторов хлопковых МТА.
